Control of nanostructures of directly-bonded Si/diamond interfaces by annealing

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1000℃にて熱処理を行ったシリコン//ダイヤモンド接合界面のHAADF-STEM像の解析を行い、界面に観測されたシリコンカーバイド化合物層が立方晶SiC（c-SiC）微結晶からなること、すなわち接合界面におけるc-SiC//ダイヤモンド構造が熱的に安定であり、かつシリコンとダイヤモンドの熱膨張係数差の効果を緩和する効果があること、を明らかにした。この知見に基づき、スパッタリングにより厚さ～10 nmのSiC薄層を堆積したダイヤモンド基板と異種材料であるGaNエピタキシャル層との接合を表面活性化接合により形成した。接合に先立ち表面のAFM観察を行い、SiC薄層の堆積によりダイヤモンド基板の平均表面粗さが0.77 nmから0.37 nmへと改善することを見出した。ダイヤモンド//GaN接合の1000℃熱処理を行い、接合界面のナノ構造の熱処理による変化及び接合の熱的安定性を調査した。界面のHR-TEM観察、得られた像のFFT解析、EELSを用いることにより、熱処理前のSiC薄層のナノ構造はアモルファスであることが分かった。更にシリコン//ダイヤモンド界面と同じく1000℃熱処理後のSiC薄層はc-SiC微結晶からなること、界面は1000℃熱処理に対して安定であること、を見出した。この結果はダイヤモンドと接合後にGaN層上にオーミック電極形成、更にはGaN素子作製が可能であることを意味し、応用上も重要である。得られた結果をもとに国際会議及び論文発表を行うとともに、特許出願を行った。接合界面の歪評価の知見に基づき、Irバッファ層上のダイヤモンドのヘテロエピタキシャル成長において、Irバッファ層、ダイヤモンド層中に生ずる歪とダイヤモンド成長モードの相関を明らかにした。